CN108550849A - 一种泡沫状三维石墨烯钠离子电池电极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种泡沫状三维石墨烯钠离子电池电极材料及其制备方法。该方法以三维泡沫铝为模板、0.5‑5M的NaOH溶液为腐蚀剂，采用直接浸泡吸附石墨烯之后腐蚀去除模板的方法制备得到具有贯通多孔结构的三维石墨烯泡沫。该方法制备得到的泡沫状石墨烯具有均匀分布气孔的泡沫状主体，气孔孔径为20‑300nm，石墨烯电极的BET为2000‑8000m2/g，具有较高的比表面积,同时该制备方法具有成本低、制备工艺简单且绿色环保等特点，没采用酸腐蚀去除模板，减少了金属离子对石墨烯电极的污染，可用于三维石墨烯材料的批量生产。

Description

一种泡沫状三维石墨烯钠离子电池电极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种钠离子电池电极材料领域，尤其涉及一种钠离子电池用泡沫状三维石墨烯电极材料及其制备方法。
背景技术
近年来，随着电子设备、电动工具、小功率电动汽车等迅猛发展，研究高效能、资源丰富以及环境友好的储能材料及器件是人类社会实现可持续发展的必要条件。目前主要的储能器件为锂离子电池，随着锂离子电池应用领域从便携式电子设备向电动汽车、大规模储能装置的快速扩展，对锂的需求量会急剧增大，但有限的锂资源和较高的价格限制了其在智能电网和可再生能源等大规模储能体系的应用。
钠是地球上储量较为丰富的元素之一，其与锂的化学性质类似。因此钠离子电池与锂离子电池相类似，也是一种很有应用前景的电池材料。与锂离子电池相比，钠离子电池具有成本低、安全性能好等突出优势，因此有望在未来取代锂离子电池而被广泛应用。石墨烯具有丰富的表面活性位以及较高的理论比容量，极具成为实用化和商业化钠离子电池电极的潜力。但是石墨烯作为一种平面二维材料，片层之间十分容易堆叠，造成比表面积和孔体积大大减少，不利于钠离子电池容量、能量密度的提高，且稳定性较差，长时间使用容易脱落，严重影响了其作为电池电极材料的应用。
三维结构的石墨烯材料可以很好地克服这个问题，因为它增大了电极比表面积，提高了石墨烯网络的电导率，并且具有有利于电解液中离子传输的多孔通道。目前多采用模板法制备泡沫状三维石墨烯材料，该方法可以生产具有清晰有形结构的三维多孔石墨烯网络。目前常用的模板法制备石墨烯泡沫多采用泡沫基材为模板，采用高温烧结或者腐蚀液去除模板得到石墨烯泡沫，但对于有机泡沫基材，其上石墨烯多采用CVD法制备，该方法设备复杂，成本较高，且不易制备大面积材料，腐蚀液刻蚀模板常用于泡沫金属类模板，如采用盐酸、硫酸等酸溶液或者FeCl3等刻蚀去除模板，但对于金属模板，酸或者氧化性盐处理会产生金属离子，由于石墨烯泡沫多孔结构，会对金属离子产生较强的吸附，在电极材料中存在较多的金属离子，而当石墨烯泡沫用于电极材料时，内部吸附的金属离子不利于电荷的传输，影响点出效率。同时腐蚀液处理过程中会产生大量废液污染，不利于产业化应用。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种泡沫状三维石墨烯钠离子电池电极材料及其制备方法。本发明中的泡沫状三维石墨烯电极材料可用于钠离子电池，包括泡沫状主体，泡沫主体内均匀分布有气孔，泡沫状三维石墨烯电极材料BET为2000-8000m2/g，气孔孔径为20-300nm，具有较大的比表面积，能显著提高电池能量密度。本发明的电极以泡沫铝为模板，稀NaOH溶液为腐蚀液制备得到。
本发明一个较佳实施例中，腐蚀模板所用的稀NaOH溶液浓度为0.5-5M，优选为1-3M。
本发明还提供了一种泡沫状三维石墨烯钠离子电池电极材料制备方法，包括以下步骤：
第一步：利用Hummers法来剥离石墨得到石墨烯分散液；
第二步：将泡沫铝清洗、干燥后浸泡到第一步得到的石墨烯分散液中，超声处理10-60分钟后取出干燥，重复上述过程5-20次，得到吸附有石墨烯的泡沫铝；
第三步：将第二步得到泡沫铝完全浸泡于稀NaOH腐蚀液中，待泡沫铝模板完全溶解后取出样品干燥，最终得到泡沫状三维石墨烯电极。
本发明一个较佳实施例中，第一步制备石墨烯分散液浓度为0.2-5mg/mL。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
(1)本发明利用了泡沫铝的三维立体结构以及易腐蚀的特点，制备出超高比表面积的泡沫状三维结构的石墨烯，石墨烯采用吸附方法制备，设备简单易于操作，可根据电极中石墨烯的量控制浸泡次数，实现电极中活性材料量的有效控制。
(2)本发明制备得到的钠离子电池泡沫状三维石墨烯电极，具有分布均匀的气孔结构，可有效提高电极比表面积、提高了石墨烯网络的电导率，具有有利于电解液中离子传输的多孔通道，使电极具有高的比电容。
(3)本发明采用泡沫铝为模板、稀氢氧化钠溶液为腐蚀液，可实现泡沫铝的完全去除且不会产生金属离子，有效的提高了石墨烯电极的纯度，减少了污染，同时可以提高电极中电荷传输速率，利与电池能量密度的提高。同时该方法具有成本低、制备工艺简单且绿色环保等特点，尤其适用于三维石墨烯材料的批量生产。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；
图1是本发明实施例1制备的泡沫状三维石墨烯电极材料的SEM图；
图2是本发明实施例2制备的泡沫状三维石墨烯电极材料的SEM图。
具体实施方式
现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施例1
一种泡沫状三维石墨烯钠离子电池电极材料，包括泡沫状主体，泡沫主体内均匀分布有气孔。
一种上述本实施例的泡沫状三维石墨烯钠离子电池电极材料制备方法，包括以下步骤：
第一步：利用Hummers法来剥离石墨得到石墨烯分散液，石墨烯分散液浓度为0.2mg/mL；
第二步：将泡沫铝清洗、干燥后浸泡到第一步得到的石墨烯分散液中，超声处理10-60分钟后取出干燥，重复上述过程5次，得到吸附有石墨烯的泡沫铝；
第三步：将第二步得到泡沫铝完全浸泡于稀NaOH腐蚀液中，NaOH溶液浓度为0.5M，待泡沫铝模板完全溶解后取出样品干燥，最终得到泡沫状三维石墨烯电极。
图1为本发明实施例1制备的泡沫状三维石墨烯电极材料的SEM图。由图1可知，本实施例制得的泡沫状三维石墨烯电极材料具有泡沫状主体，泡沫主体内均匀分布有气孔，气孔孔径为20-300nm，经测试发现本实施例中泡沫状三维石墨烯电极材料BET为2000m2/g。
实施例2
一种泡沫状三维石墨烯钠离子电池电极材料，包括泡沫状主体，泡沫主体内均匀分布有气孔。
一种上述本实施例的泡沫状三维石墨烯钠离子电池电极材料制备方法，包括以下步骤：
第一步：利用Hummers法来剥离石墨得到石墨烯分散液，石墨烯分散液浓度为2mg/mL；
第二步：将泡沫铝清洗、干燥后浸泡到第一步得到的石墨烯分散液中，超声处理10-60分钟后取出干燥，重复上述过程10次，得到吸附有石墨烯的泡沫铝；
第三步：将第二步得到泡沫铝完全浸泡于稀NaOH腐蚀液中，NaOH溶液浓度为2M，待泡沫铝模板完全溶解后取出样品干燥，最终得到泡沫状三维石墨烯电极。
图2为本发明实施例2制备的泡沫状三维石墨烯电极材料的SEM图。由图2可知，本实施例制得的泡沫状三维石墨烯电极材料具有泡沫状主体，泡沫主体内均匀分布有气孔，气孔孔径为100-200nm，经测试发现本实施例中泡沫状三维石墨烯电极材料BET为5000m2/g。
实施例3
一种泡沫状三维石墨烯钠离子电池电极材料，包括泡沫状主体，泡沫主体内均匀分布有气孔。
一种上述本实施例的泡沫状三维石墨烯钠离子电池电极材料制备方法，包括以下步骤：
第一步：利用Hummers法来剥离石墨得到石墨烯分散液，石墨烯分散液浓度为4mg/mL；
第二步：将泡沫铝清洗、干燥后浸泡到第一步得到的石墨烯分散液中，超声处理10-60分钟后取出干燥，重复上述过程15次，得到吸附有石墨烯的泡沫铝；
第三步：将第二步得到泡沫铝完全浸泡于稀NaOH腐蚀液中，NaOH溶液浓度为4M，待泡沫铝模板完全溶解后取出样品干燥，最终得到泡沫状三维石墨烯电极。
实施例4
一种泡沫状三维石墨烯钠离子电池电极材料，包括泡沫状主体，泡沫主体内均匀分布有气孔。
一种上述本实施例的泡沫状三维石墨烯钠离子电池电极材料制备方法，包括以下步骤：
第一步：利用Hummers法来剥离石墨得到石墨烯分散液，石墨烯分散液浓度为5mg/mL；
第二步：将泡沫铝清洗、干燥后浸泡到第一步得到的石墨烯分散液中，超声处理10-60分钟后取出干燥，重复上述过程20次，得到吸附有石墨烯的泡沫铝；
第三步：将第二步得到泡沫铝完全浸泡于稀NaOH腐蚀液中，NaOH溶液浓度为3M，待泡沫铝模板完全溶解后取出样品干燥，最终得到泡沫状三维石墨烯电极。
实施例5
一种泡沫状三维石墨烯钠离子电池电极材料，包括泡沫状主体，泡沫主体内均匀分布有气孔。
一种上述本实施例的泡沫状三维石墨烯钠离子电池电极材料制备方法，包括以下步骤：
第一步：利用Hummers法来剥离石墨得到石墨烯分散液，石墨烯分散液浓度为2.5mg/mL；
第二步：将泡沫铝清洗、干燥后浸泡到第一步得到的石墨烯分散液中，超声处理10-60分钟后取出干燥，重复上述过程15次，得到吸附有石墨烯的泡沫铝；
第三步：将第二步得到泡沫铝完全浸泡于稀NaOH腐蚀液中，NaOH溶液浓度为1M，待泡沫铝模板完全溶解后取出样品干燥，最终得到泡沫状三维石墨烯电极。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。

Claims (6)

1.一种泡沫状三维石墨烯钠离子电池电极材料，包括泡沫状主体，泡沫主体内均匀分布有气孔，其特征在于：所述泡沫状三维石墨烯电极材料BET为2000-8000m2/g，气孔孔径为20-300nm。
2.根据权利要求1所述的一种泡沫状三维石墨烯钠离子电池电极材料，其特征在于：所述泡沫状三维石墨烯材料基于泡沫铝为模板，稀NaOH溶液为腐蚀液制备得到。
3.根据权利要求2所述的一种泡沫状三维石墨烯钠离子电池电极材料，其特征在于：所述稀NaOH溶液浓度为0.5-5M。
4.根据权利要求3所述的一种泡沫状三维石墨烯钠离子电池电极材料，其特征在于：所述稀NaOH溶液浓度为1-3M。
5.一种权利要求1所述的泡沫状三维石墨烯钠离子电池电极材料制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：利用Hummers法来剥离石墨得到石墨烯分散液；
第二步：将泡沫铝清洗、干燥后浸泡到第一步得到的石墨烯分散液中，超声处理10-60分钟后取出干燥，重复上述过程5-20次，得到吸附有石墨烯的泡沫铝；
第三步：将第二步得到泡沫铝完全浸泡于稀NaOH腐蚀液中，待泡沫铝模板完全溶解后取出样品干燥，最终得到泡沫状三维石墨烯电极。
6.根据权利要求5所述的泡沫状三维石墨烯钠离子电池电极材料制备方法，其特征在于：第一步中制备石墨烯分散液浓度为0.2-5mg/mL。
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